一种滑动钻井工具面调整方法与流程

本发明涉及石油天然气勘探钻井技术领域，确切地说涉及一种滑动钻井工具面调整方法。

背景技术

随着各油气区块开发的深入，水平井应用已经非常广泛。目前，水平井定向钻井作业，最主要的作业手段就是由井下导向马达和mwd组成的常规定向组合。

常规定向组合的定向工作模式为滑动定向，其重要特征是：钻柱不转动，井下导向马达驱动钻头旋转进行破岩，通过调整导向马达的工具面，改变井眼的井斜角和方位角，完成定向造斜、扭方位等多项作业，进而实现对井眼几何轨迹的控制。

如公开号为103015967a，公开日为2013年4月3日的中国专利文献公开了一种为滑动钻井控制井底钻具组合的工具面方向的方法，所述方法包括：a）使工具面同步，其中使工具面同步包括确定对于至少一个时间点井下工具面的旋转位置与地层地表处的旋转位置之间的关系；b）使与井底钻具组合联接的钻柱停止旋转；c）控制钻柱的地表处转矩以便控制工具面的旋转位置；以及d）开始钻柱的滑动。

由于滑动定向钻进过程中钻柱保持相对静止，没有旋转，下部钻具组合与井眼低边处于静摩擦状态，使得常规定向的工具面调整在理论上看似简单，实际操作过程中却不易实现。同时，由于钻柱向下滑行时的摩阻很大，使得钻具加压后，压力很难传递到钻头，造成“托压”现象。特别是在水平井这种井眼轨迹复杂、水平段长的情况下，工具面调整更加困难，“托压”现象更易发生。

因此，研究滑动定向新的防托压钻井方法，解决常规定向组合水平井工具面调整困难、“托压”频发的问题具有十分重要的现实意义。

技术实现要素：

本发明旨在针对上述现有技术所存在的缺陷和不足，提供一种滑动钻井工具面调整方法，本发明能将滑动钻井时钻柱与井眼的静摩擦力转变为动摩擦力，释放聚集在钻柱上的摩擦力和扭矩，解决了常规定向组合水平井工具面调整困难、“托压”频发的问题。

本发明是通过采用下述技术方案实现的：

一种提高滑动定向防托压效果的工具面调整方法，其特征在于步骤如下：

a）钻井参数采集；

b）根据井眼轨迹要求，确定工具面中值φ及工具面波动范围δφ；

c）完成滑动定向防托压工具面调整的参数调试，拟合出扭矩-角速度曲线；

d）根据扭矩-角速度曲线，调试井口工具旋转钻柱的能量参数，系统自动选择钻柱旋转的步骤，进行防托压定向钻井；

e）持续更新扭矩-角速度曲线，结合钻井参数曲线系列，优化钻井参数。

所述步骤a)中，钻井参数采集具体包括：

采集钻压、排量、钻时、井斜、方位数据；

采集定向仪器工具面参数；

采集该钻具组合复合钻进扭矩t复合；

采集钻柱旋转的顺时针转动启动扭矩t顺和逆时针转动启动扭矩t逆；

所述步骤c中，拟合扭矩-角速度曲线的具体步骤如下：

①钻头以钻井钻压接触井底，钻井泵排量设置为钻井排量，以t顺和t逆作为扭动钻柱的基础扭矩值，由顶驱或者电动转盘施加给钻柱，带动钻柱转动进行防托压定向作业的参数调试，在作业过程中，监测定向工具面变化情况，确认工具面顺时针转动或逆时针转动，计算工具面转动角速度r基；

②若所述工具面转动方向为顺时针方向，则在t逆基础上附加单位扭矩为扭矩t1逆，t顺不变，监测定向工具面变化情况，计算工具面转动角速度r2；若所述工具面转动方向为逆时针方向，则在t顺基础上附加单位扭矩为扭矩t1顺，t逆不变，监测定向工具面变化情况，计算工具面转动角速度r1；

③重复上述操作②直至设置扭矩t拐（顺/逆）、t逆/顺使工具面变化反向，确定此扭矩为拐点扭矩；继续重复上述操作②，直至设置扭矩tx（顺/逆）、t逆/顺达到0.7t复合，或者tx（顺/逆）、t逆/顺对应的ry数值等于r基；特别地，钻具实际最小上扣扭矩值为t上扣，tx逆不得超过0.5t上扣。

④计算拟合出设置扭矩tx（顺/逆）、t逆/顺与工具面转动角速度rx的扭矩-角速度曲线，该曲线被分为两个部分，一部分为tx（顺/逆）、t逆/顺使工具面顺时针转动，另一部分使工具面逆时针转动。

所述步骤d能量参数调试完成后，若工具面不在确定的工具面波动范围δφ内，则根据扭矩-角速度曲线设置钻柱转动的扭矩值，使定向仪器工具面尽快调整到工具面波动范围δφ内。

所述步骤d工具面调整完成后，调整钻柱转动扭矩值尽量靠近拐点扭矩，实时采集定向仪器工具面参数，以工具面中值φ为基准，根据扭矩-角速度曲线，实时调整钻柱转动的扭矩值和运行步骤，控制工具面在波动范围δφ内平稳地来回波动。

所述步骤d中钻柱旋转经历以下四个步骤：1、顺时针转动，2、逆时针释放，3、逆时针转动，4、顺时针释放。

所述步骤d中，根据扭矩-角速度曲线的结果，钻柱旋转经历以下两个步骤：1、顺时针转动，2、逆时针释放。

所述逆时针释放与顺时针释放时，应该控制钻柱的转动角速度r钻柱≤10r/min。

步骤e中，扭矩-角速度曲线和钻井参数曲线系列实时更新，支持数据回放功能。

步骤e中，指定某一时段的扭矩-角速度曲线和钻井参数曲线系列作为优选参数来源。

步骤e中，钻压、排量、钻时、井斜、方位数据持续采集、储存，以时间轴输出钻井参数曲线系列。

步骤e中，结合扭矩-角速度曲线与钻井参数曲线系列，在保证工具面平稳波动的条件下，给定防托压定向钻井的最优化钻井参数供井队人员参考。

与现有技术相比，本发明的有益效果表现在：

1、本发明以工具面作为控制钻柱转动的依据，控制滑动钻井时工具面的波动范围，实时拟合扭矩-角速度曲线，持续优化井口工具旋转钻柱的能量，释放了聚集在钻柱上的摩擦力和扭矩，解决了常规定向组合水平井工具面调整困难、“托压”频发的问题。

2、本发明能够根据钻井参数曲线系列，实时跟踪滑动钻井效果，推荐最优化钻井参数。

3、本发明可在现今所有智能顶驱与智能钻机转盘上使用，具有极强的通用性。

4、本发明详细公布了石油天然气钻井领域一种滑动钻井工具面调整方法，减少滑动定向钻井“托压”现象的方法与详细步骤，构建了全新的、完整的滑动定向钻井工具面调整方法，生产应用可实施性和推广性强。

附图说明

下面将结合说明书附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，其中：

图1为本发明提供的一种滑动钻井工具面调整方法示意图；

图2为本实施例的软件整体逻辑图。

具体实施方式

结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。所描述的实施例作为本发明的一种具体实施方式，并不代表全部的实施例，任何没有做出创造性劳动前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明保护范围。

本发明实施例工作原理为：本发明是一种滑动钻井工具面调整方法，适用于水平井、大斜度井常规定向组合的滑动定向钻井作业。本发明的前提为利用井口工具旋转钻柱，核心在于实时采集井口工具旋转钻柱的扭矩和井下工具面变化情况，拟合扭矩-角速度曲线，以此作为基础维持工具面在设定范围内波动。

本发明实施例包括下列实施步骤：a）钻井参数采集；b）根据井眼轨迹要求，确定工具面中值φ及工具面波动范围δφ；c）完成防托压定向工具面调整的参数调试，拟合出扭矩-角速度曲线；d）根据扭矩-角速度曲线，调试井口工具旋转钻柱的能量参数，系统自动选择钻柱旋转的步骤，进行防托压定向钻井；e）持续更新扭矩-角速度曲线，结合钻井参数曲线系列，优化钻井参数。

进一步地，步骤a中涉及的参数采集包括：采集钻压、排量、钻时、井斜、方位数据；采集定向仪器工具面参数；采集该钻具组合复合钻进扭矩t复合；采集钻柱旋转的顺时针转动启动扭矩t顺和逆时针转动启动扭矩t逆。

进一步地，步骤c中拟合扭矩-角速度曲线的具体步骤如下：

①钻头以钻井钻压接触井底，钻井泵排量设置为钻井排量，以t顺和t逆作为扭动钻柱的基础扭矩值，由顶驱或者电动转盘施加给钻柱，带动钻柱转动进行防托压定向作业的参数调试，在作业过程中，监测定向工具面变化情况，确认工具面顺时针转动或逆时针转动，计算工具面转动角速度r基；

②若前述工具面转动方向为顺时针方向，则在t逆基础上附加单位扭矩为扭矩t1逆，t顺不变，监测定向工具面变化情况，计算工具面转动角速度r2；若前述工具面转动方向为逆时针方向，则在t顺基础上附加单位扭矩为扭矩t1顺，t逆不变，监测定向工具面变化情况，计算工具面转动角速度r1；

③重复上述操作直至设置扭矩t拐（顺/逆）、t逆/顺使工具面变化反向，确定此扭矩为拐点扭矩。继续重复上述操作，直至设置扭矩tx（顺/逆）、t逆/顺达到0.7t复合，或者tx（顺/逆）、t逆/顺对应的ry数值等于r基。特别地，钻具实际最小上扣扭矩值为t上扣，tx逆不得超过0.5t上扣。

④计算拟合出设置扭矩tx（顺/逆）、t逆/顺与工具面转动角速度rx的扭矩-角速度曲线，该曲线被分为两个部分，一部分为tx（顺/逆）、t逆/顺使工具面顺时针转动，另一部分使工具面逆时针转动。

进一步地，步骤d参数调试完成后，若工具面不在确定的工具面波动范围δφ内，则根据扭矩-角速度曲线设置钻柱转动的扭矩值，使其定向仪器工具面尽快调整到工具面波动范围δφ内。

进一步地，步骤d工具面调整完成后，调整钻柱转动扭矩值尽量靠近拐点扭矩，实时采集定向仪器工具面参数，以工具面中值φ为基准，根据扭矩-角速度曲线，实时调整钻柱转动的扭矩值和运行步骤，控制工具面在波动范围δφ内平稳地来回波动。

进一步地，步骤d中钻柱旋转经历以下四个步骤：1、顺时针转动，2、逆时针释放，3、逆时针转动，4、顺时针释放。根据扭矩-角速度曲线的结果，步骤3与步骤4也可不进行。

进一步地，步骤e中，扭矩-角速度曲线和钻井参数曲线系列会实时更新，支持数据回放功能。

进一步地，步骤e中，可以指定某一时段的扭矩-角速度曲线和钻井参数曲线系列作为优选参数来源。

进一步地，步骤e中，钻压、排量、钻时、井斜、方位数据会持续采集、储存，以时间轴输出钻井参数曲线系列。

进一步地，步骤e中，结合扭矩-角速度曲线与钻井参数曲线系列，在保证工具面平稳波动的条件下，给定防托压定向钻井的最优化钻井参数供井队人员参考。